CN107800621A - 一种支持多种接入协议的新型智能家居网关 - Google Patents

一种支持多种接入协议的新型智能家居网关 Download PDF

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Abstract

本发明属于互联网技术领域，公开了一种支持多种接入协议的新型智能家居网关，包括：接入层，适配层，通信层，接口数据处理层，业务逻辑处理层。本发明的支持多种接入协议的新型智能家居网关在内部家庭网络上，实现了对内网中各种终端设备的运行状态、数据采集和自动化任务的无线监控和执行，同时，将数据上传到消息代理本地服务器。外网用户可通过客户端App和Web端与智能家居网关经过消息代理本地服务器进行间接交互，这种访问是通过在内网和外网之间建立安全通道实现的，这增强了整个系统的可靠性和安全性，智能家居网关分别预留了RS232、RS485和CAN总线接口，提高可扩展性和方便开发人员进行调试。

Description

一种支持多种接入协议的新型智能家居网关
技术领域
本发明属于互联网技术领域，尤其涉及一种支持多种接入协议的新型智能家居网关。
背景技术
伴随着计算机技术、网络通信技术及自动控制技术的发展，智能家居不仅能给用户提供便捷、环保和舒适的家居环境，而且更赋予了用户即使身处外地，也能远程监控家居情况和控制家电的权利。同时随着智能家居市场的进一步推广落实及消费者消费观念的逐渐形成，智能家居已经进入快速发展的阶段，市场消费潜力巨大。
综上所述，现有技术存在的问题是：
在与底层终端设备通信上，现有的智能家居网关多数采用Wi-Fi、Z-ware或蓝牙技术，但这些技术一般没有数据加密，安全性差，易受环境影响，从而稳定性弱，且功耗大，网络容量低，成本高。与其相比，本发明采用ZigBee技术，具有功耗低，成本低，网络容量可达上万个设备，复杂度低，安全性高的优点。
在网络传输协议上，现有的智能家居网关主要采用的是：HTTP和MQ协议，HTTP和MQ协议属于高功耗协议，开销高，难以容纳数百万个并发连接的客户端。与其相比，本发明采用低开销的MQTT协议，MQTT协议采用三个级别的服务质量管理保证可靠性，在设计上可容纳数百万个并发连接的客户端。
由于现有的智能家居产品缺乏统一的通信标准，造成了不同厂家使用的标准不同，不同设备间的差异也导致互相无法兼容，组网效率低下，成本高昂。同时，现有的智能家居产品可扩展性差，可靠性低，用户体验差。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种支持多种接入协议的新型智能家居网关。在克服缺乏统一的通信标准，标准不同上：MQTT协议逐渐被大众接受，有可能成为通用的物联网协议。
在克服不同设备间的差异也导致互相无法兼容，组网效率低下，成本高昂，克服可扩展性差上：本发明采用ZigBee技术，网络容量可达上万个，且采用系统编程，引入输入子系统，将外部设备作为同一类型的输入设备，统一编程，统一管理，能有效提高设备的兼容性。
在克服可靠性低上：本发明网络传输采用MQTT协议，MQTT在不可靠的网络中依然能运作良好，为不同的网络环境提供了三个级别的服务质量，App客户端和Web端可指定所需要的可靠性级别。
在克服用户体验差上：本发明采用多终端控制，配备APP移动终端，WEB控制终端，用户可通过不同终端对底层设备进行一键控制和管理，交互性强。
本发明是这样实现的，
本发明提供了一种支持多种接入协议的新型智能家居网关，主要支持的协议包括ZigBee协议、以太网协议、TCP/IP协议和MQTT协议。
本发明集成了多种物联网通信协议，实现了一个支持多种接入协议的新型智能家居网关，为物联网提供了一种支持多协议的模板，减少了物联网开发的时间和难度。
一种支持多种接入协议的新型智能家居网关，包括：
接入层，用于通过编写的security-rok在外网服务器和本地服务器之间建立一个安全通道，捕获该通道上的流量，当有客户端请求命令时，位于接入层的本地服务器将请求转交到智能家居网关的适配层；
适配层，用于提供xml解析和封装、参数正确性验证和命令组装信息，并返回命令进行组装，客户端的请求命令在适配层进行解析和再封装，再转交到通信层；
通信层，用于提供以太网连接、TCP/IP建立和MQTT通信；与网关主控制程序之间建立连接，用于传输控制和管理命令，包括App、Web接口层和网关主控制程序接口层；
接口数据处理层，用于提供通信接口，对于每条业务命令，都将开启一个新的线程进行处理；
业务逻辑处理层，用于提供每一个具体的业务逻辑处理线程，将参数封装给下层通信协议，通过串口接口发送出去。
进一步，业务逻辑处理层包括串口接收线程，用于提供底层ZigBee命令的接收和分发。
进一步，接口数据处理层开启的线程包括普通命令监听线程和定时任务监听线程。
进一步，客户端App和Web端通过security-rok进行内网穿透；security-rok利用所编写的程序捕获通道上流量，实现对内网的访问；
进一步，发布者智能家居网关用于负责向订阅者客户端发布订阅的信息；代理本地服务器用于负责接收来自智能家居网关和客户端的网络连接、接收智能家居网关发布的消息、处理来自客户端主题订阅、退订请求和向客户端转发应用程序消息。
进一步，支持多种接入协议的新型智能家居网关，具体包括ARM9处理器、电源接口和复位按键，所述电源接口连接DC电源模块；所述ARM9处理器通过有线分别连接Flash，SDRAM、RS232接口、RS485接口、ZigBee模块、LAN网口及CAN总线接口；所述ZigBee模块连接全频吸盘天线。
本发明的优点及积极效果为：
在与底层终端设备通信上，现有的智能家居网关多数采用Wi-Fi、Z-ware或蓝牙技术，但这些技术一般没有数据加密，安全性差，易受环境影响，从而稳定性弱，且功耗大，网络容量低，成本高。与其相比，本发明采用ZigBee技术，具有功耗低，成本低，网络容量可达上万个设备，复杂度低，安全性高的优点。
在内网穿透技术上，采用security-rok进行内网穿透，支持自主搭建服务器，适用于不同平台。
在网络传输协议上，现有的智能家居网关主要采用的是：HTTP和MQ协议，HTTP和MQ协议属于高功耗协议，开销高，难以容纳数百万个并发连接的客户端。与其相比，本发明采用低开销的MQTT协议，MQTT协议采用三个级别的服务质量管理保证可靠性，在设计上可容纳数百万个并发连接的客户端。
本发明的支持多种接入协议的新型智能家居网关在内部家庭网络上，实现了对内网中各种终端设备的运行状态、数据采集和自动化任务的无线监控和执行，同时，将数据上传到消息代理本地服务器。外网用户可通过客户端App和Web端与智能家居网关经过消息代理本地服务器进行间接交互，这种访问是通过在内网和外网之间建立安全通道实现的，这增强了整个系统的可靠性和安全性，使用轻量级的发布/订阅消息模式进行通信，可以提高传输效率和增强稳定性。并且在硬件设计上，智能家居网关分别预留了一个RS232、RS485和CAN总线接口，这提高了系统的可扩展性和方便开发人员进行调试。本发明的新型智能家居网关内嵌操作系统，支持多种通信协议，适合不同平台，适用于不同的智能家居系统中，兼容性强。
附图说明
图1是本发明实施例提供的支持多种接入协议的新型智能家居网关示意图。
图2是本发明实施例提供的支持多种接入协议的新型智能家居网关软件架构示意图；
图中：1、ARM9处理器；2、电源接口；3、复位按键；4、DC电源模块；5、Flash；6、SDRAM；7、RS232接口；8、RS485接口；9、ZigBee模块；10、LAN网口；11、CAN总线接口；12、全频吸盘天线；13、接入层；14、适配层；15、通信层；16、接口数据处理层；17、业务逻辑处理层；18、串口接收线程。
图3是本发明实施例提供的支持多种接入协议的新型智能家居网关通信示意图；
图4是本发明实施例提供的支持多种接入协议的新型智能家居网关MQTT协议实现示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
如图1所示，本发明实施例提供的支持多种接入协议的新型智能家居网关，包括ARM9处理器1、电源接口2和复位按键3，所述电源接口2连接DC电源模块4；所述ARM9处理器1连接Flash 5，SDRAM 6、RS232接口7、RS485接口8、ZigBee模块9、LAN网口10及CAN总线接口11；所述ZigBee模块连接全频吸盘天线12。
如图1所示，本发明实施例提供的支持多种接入协议的新型智能家居网关，支持RS232、RS485和CAN总线有线传输方式。
如图2所示，本发明实施例提供的支持多种接入协议的新型智能家居网关，软件架构过程可分为五层，分别为接入层13、适配层14、通信层15、接口数据处理层16和业务逻辑处理层17。
如图2所示，接入层13通过所编写的security-rok软件实现，security-rok在外网服务器和本地服务器之间建立了一个安全通道，捕获该通道上的流量，即当有客户端请求时，本地服务器将请求转交给智能家居网关。
如图2所示，适配层14主要提供xml解析和封装、参数正确性验证和命令组装功能，并返回命令组装。
如图2所示，通信层15包括App、Web接口层和网关主控制程序接口层，主要提供以太网连接、TCP/IP建立和MQTT通信功能，与网关主控制程序之间建立连接，传输控制和管理命令。
如图2所示，接口数据处理层16，属于网关主控制程序部分，提供通信接口，对于每条业务命令，都将开启一个新的线程去进行处理，线程主要分为普通命令监听线程和定时任务监听线程两种。
如图2所示，业务逻辑处理层17，是每一个具体的业务逻辑处理线程，将参数封装与下层通信协议，通过串口接口发送出去。
此外，串口接收线程18，主要提供底层ZigBee命令的接收和分发工作。
如图3所示，外网上客户端App和Web端通过security-rok实现内网穿透，security-rok在外网搭建一个服务器，通过在公共端口和本地服务器之间建立一个安全通道，利用所编写的程序捕获通道上流量，从而实现对内网的访问。
如图3所示，所述的支持多种接入协议的新型智能家居网关处于家庭内部网络，即内网中，与各种终端设备之间的通信使用ZigBee技术来实现，ZigBee是一种用于近距离、低速率的无线网络技术。底层的终端设备把采集到的数据发送到智能家居网关上，网关再将终端设备发送上来的数据发布到本地服务器。
如图4所示，MQTT协议是一种开销极小，使用TCP/IP提供网络连接和支持所有平台的轻量级协议，使用的是发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，不仅能解除应用程序耦合，而且消息传输屏蔽负载内容。MQTT协议中有三种身份：发布者——智能家居网关，代理——本地服务器，订阅者——客户端。
发布者智能家居网关主要负责向订阅者客户端发布订阅的信息；代理本地服务器主要负责接收来自发布者和订阅者的网络连接、接收发布者发布的消息、处理来自订阅者主题订阅和退订请求和向订阅者转发应用程序消息；发布者主要负责订阅和退订主题和断开与服务器的连接。
所述支持多种接入协议的新型智能家居网关为了实现与外网通信，使用所编写的security-rok软件来实现内网穿透。
所述支持多种接入协议的新型智能家居网关与外网通信是基于以太网协议、TCP/IP协议和MQTT协议的。
所述支持多种接入协议的新型智能家居网关与终端设备间的通信是基于ZigBee协议的。
例如，在已接入Internet且已建立TCP/IP连接的前提下，作为订阅者客户端连接到MQTT代理——本地服务器上，终端设备将数据打包通过ZigBee发送到发布者智能家居网关上，网关将数据发布到本地服务器上，当客户端订阅某种主题，本地服务器将消息推送到客户端，随后客户端取消订阅，再断开与本地服务器连接。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种支持多种接入协议的新型智能家居网关，其特征在于，所述支持多种接入协议的新型智能家居网关包括：
接入层，用于通过编写的security-rok在外网服务器和本地服务器之间建立一个安全通道，捕获该通道上的流量，当有客户端请求命令时，位于接入层的本地服务器将请求转交到智能家居网关的适配层；
适配层，用于提供xml解析和封装、参数正确性验证和命令组装信息，并返回命令进行组装，客户端的请求命令在适配层进行解析和再封装，再转交到通信层；
通信层，用于提供以太网连接、TCP/IP建立和MQTT通信；与网关主控制程序之间建立连接，用于传输控制和管理命令，包括App、Web接口层和网关主控制程序接口层；
接口数据处理层，用于提供通信接口，对于每条业务命令，都将开启一个新的线程进行处理；
业务逻辑处理层，用于提供每一个具体的业务逻辑处理线程，将参数封装给下层通信协议，通过串口接口发送出去。
2.如权利要求1所述的支持多种接入协议的新型智能家居网关，其特征在于，业务逻辑处理层包括串口接收线程，用于提供底层ZigBee命令的接收和分发。
3.如权利要求1所述的支持多种接入协议的新型智能家居网关，其特征在于，接口数据处理层开启的线程包括普通命令监听线程和定时任务监听线程。
4.如权利要求1所述的支持多种接入协议的新型智能家居网关，其特征在于，客户端App和Web端通过security-rok进行内网穿透；security-rok利用所编写的程序捕获通道上流量，实现对内网的访问；
所述接入层中，智能家居网关用于负责向客户端发布订阅的信息；本地服务器用于负责接收来自智能家居网关和客户端的网络连接、接收智能家居网关发布的消息、处理来自客户端主题订阅和退订请求和向客户端转发应用程序消息。
5.如权利要求1所述的支持多种接入协议的新型智能家居网关，其特征在于，支持多种接入协议的新型智能家居网关，具体包括ARM9处理器、电源接口和复位按键，所述电源接口连接DC电源模块；所述ARM9处理器通过有线分别连接Flash，SDRAM、RS232接口、RS485接口、ZigBee模块、LAN网口及CAN总线接口；所述ZigBee模块连接全频吸盘天线。
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